一種計算機氣象軟件中基于風場數據的槽線自動繪制方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及氣象槽線自動分析，屬于氣象分析中的自動化分析領域，具體地說是 一種計算機氣象軟件中基于風場數據的槽線自動繪制方法。
【背景技術】
[0002] 天氣圖是填有各地同一時間氣象觀測記錄的特種地圖，它描述了某一瞬間某一區 域的天氣情況。在日常的氣象業務工作中，需要繪制地面天氣圖（簡稱地面圖）和等壓面 圖（簡稱高空圖）兩類。其中地面天氣圖填有地面各種氣象要素和提拿起現象，如氣溫、濕 度、風向、風速、海平面氣壓、雨、雪、霧和云高云狀等。等壓面圖是用來表示等壓面起伏形勢 的圖，常用的等壓面絕對形勢圖有；850hpa，70化pa，500hpa等壓面圖。等壓面圖分析的主 要內容包括等高線的分析，等溫線的分析，濕度場的分析，槽線和切變線的分析，溫度平流 和濕度平流。其中已經實現自動分析的功能包括等值線的自動繪制。而槽線作為高空圖中 很重要的一項還沒有實現自動分析。
[0003] 一般來說槽線與脊線相對應，它是等值線曲率最大點按一定規則的連線，在地形 數據分析過程中稱為山脊線，山谷線。在氣象領域，槽線定義為低壓槽區內等高線曲率最大 點的連線，是氣旋中屯、到低壓槽內氣壓最低點的集合所組成的曲線。在天氣分析中，槽線的 分析有著非常重要的作用，它一定程度上可W反映出天氣的變化趨勢，可W為預報人員提 供重要的參考，例如，在水平方向上槽線的前方多為西南暖濕氣流，后方盛行干燥的西北氣 流，而暖濕氣流通常可帶來降雨，干燥氣流一般使得天氣晴朗；在垂直方向上，槽線前方有 氣流的上升運動，水汽充沛，可產生降水，后方則一般為氣流下沉伴隨天氣轉晴。綜上所述， 槽線是預報中成云致雨的重要依據。
[0004] 準確判斷槽線是天氣系統分析和天氣圖繪制的重要內容。美國AWIPS系統與國家 氣象局MICAI^S系統均已實現天氣圖的自動填繪和等值線的自動繪制等功能，但都沒有實 現槽線的自動分析。目前，氣象預報中的槽線分析基本上采用人工分析的方法實現。人工分 析槽線存在著明顯的缺陷，一方面分析工作量較大，效率較低；另一方面對于槽線的分析， 預報員主觀上分析經驗不同，客觀上側重依據差異，都對槽線的分析產生影響，不利于改進 提高及應用推廣。因此，建立一個穩定的、準確的系統來實現槽線的自動繪制，對于實現氣 象自動分析、提高工作效率具有重要的理論研究意義和實際應用價值。

【發明內容】

[0005] 發明目的；本發明所要解決的技術問題是針對目前槽線自動分析不準確、不完善， 提出了一種計算機氣象軟件中基于風場數據的槽線自動繪制方法。
[0006] 技術方案；本發明公開一種基于風場網格數據的槽線自動識別方法，包括W下步 驟：
[0007] 步驟1，長波槽生成；對風場網格數據進行特征點提取，判別逆向環流中屯、，同時 提取候選長波槽點，對于每一個逆向環流中屯、，將其作為起點進行槽點追蹤，輸出單條長波 槽，并將已使用槽點標注；
[0008] 步驟2,短波槽生成；標記步驟1中長波槽區域，對風場網格數據進行禍度、角度偏 轉篩選得到候選短波槽點，排除長波槽區域內的候選短波槽點后，對剩下的候選短波槽點 的集合進行最小生成樹聚類，在各個生成類的候選短波槽點集合中進行曲線擬合作為短波 槽分析結果；
[0009] 步驟3,計算機氣象軟件根據步驟2的結果，自動繪制風場的槽線并顯示。
[0010] 其中，步驟1包括W下步驟：
[0011] 步驟1-1，提取逆向環流中屯、；在風場網格數據中查找局部風速最小點得到特征 點，計算特征點處雅可比化cobian矩陣并判斷矢量拓撲結構，得到逆向環流中屯、；
[0012] 步驟1-2,提取候選長波槽點；遍歷風場網格數據，計算網格點風矢方向，依據水 平、垂直兩個方向上相鄰網格風矢方向特點判斷候選槽點，得到候選槽點集合；
[0013] 步驟1-3,追蹤槽線：通過步驟1-1、步驟1-2分別得到逆向環流中屯、和候選槽點集 合，將用于南向追蹤的候選槽點記為WP，WP構成的候選槽點集合為5"，將用于東向追蹤的候 選槽點記為EP，EP構成的候選槽點集合為Se，由長波槽起點開始分兩個方向分別追蹤兩類 候選槽點，分別得到槽線分析結果為點列PList郝化ist E，即單條長波槽。
[0014] 步驟1-1包括W下步驟：
[0015] 步驟1-1-1，查找特征點；遍歷風場網格數據，在每一個3*3網格中屯、查找局部風 速最小點，選取對稱位置上風向相反的點作為特征點；
[0016] 步驟1-1-2,篩選逆向環流中屯、；構建化cobian矩陣，求矩陣特征值，通過特征值 判斷特征點類型，篩選出所需逆向環流中屯、。
[0017] 步驟1-1-1包括W下步驟：
[0018] 步驟1-1-1-1，查找局部風速最小點；從風場網格數據左上角開始選取一個網格 數據3*3點陣，尋找局部風速最小點，該點陣形式如下表所示：
[0019]
[0020] 每個方格代表風場中的一個網格點，Vii，Vi2, ... V33代表在各自網格點的風速大 小，由下式計算：
[0021]
[0022] 其中，ii、jj分別為網格點行、列坐標索引，ii、jj取值范圍1~3，Uu，Vy分別為 網格點坐標處的風速水平分量與垂直分量，在該點陣中，如果中屯、點V22的值比它 周圍的8個點處的值都小，則判別該點為局部風速最小點，并將其作為一個特征點候選點；
[0023] 步驟1-1-1-2,結合風向判斷；對于滿足步驟的特征點候選點，判斷關于 該特征點候選點成中屯、對稱的網格點上的風速方向是否相反，即在該3*3矢量點陣中，是 否滿足W下條件：
[0024] UuXU33< 0 且VuXv33< 0，
[00巧]或
[0026] UnXUw< 0 且 VnXvw< 0，
[0027] 如滿足，該候選點即為特征點，否則判定不是特征點；
[0028] 步驟1-1-1-3,按行列順序坐標增1對風場網格數據所有3*3點陣，重復步驟 ~1-1-1-2直到最后一個網格結束；
[0029] 步驟1-1-2包括W下步驟：
[0030] 步驟 1-1-2-1，求解Jacobian矩陣 J ;
[0031]
[003引其中U，V分別為任意一點處風速水平分量與垂直分量，1^，!^分別表示該點風速 水平分量U在水平與垂直方向上的偏導；1^，!^分別表示該點風速垂直分量V在水平與垂 直方向上的偏導。
[0033] 對于矩陣中非邊界數據點，即下標大于1，行標小于矩陣行數，列表小于矩陣列數 的網格點，坐標索引為（i，j)的網格點處偏導用下式表示：
[0042] 步驟1-1-2-2,求解特征值；采用下式求解坐標索引為（i，j)的網格點處化cobian 矩陣Ju;
[0046] 得到該點的化cobian矩陣的特征值，即A的兩個解，記為A。入2;
[0047] 步驟1-1-2-3,判斷特征點類型：根據矢量拓撲結構特性，提取其中吸引旋轉點和 旋轉點兩種拓撲結構即為逆向環流中屯、：
[0048] 通過步驟1-1-2-1計算得到的特征值A 1，A 2,其中入1對應的實部與虛部分別為 Ri，Ii，入2對應實部和虛部分別為R 2, 12,當Ri< 0, R 2< 0 ;11聲0,12聲0時，判定特征點為 吸引旋轉點；當Ri= 0, R2= 0 ;11聲0,12聲0時，判定特征點為旋轉點；
[0049] 步驟1-1-2-4,對于每一個特征點，重復步驟1-1-2-1~1-1-2-3直到最后一個特 征點，得到逆向環流中屯、點集合。
[0050] 步驟1-2包括W下步驟：
[0051] 步驟1-2-1，計算風矢方向：在風場網格數據中，建立弧度坐標系，北風弧度為9 東°，東風的弧度為180°，南風弧度為270°。通過風矢水平、垂直兩個方向上的分量求得 每一個網格點處風矢的方向。
[005引風場網格數據的網格尺寸為R0w*Col，Pu表示坐標索引為（i，j)的網格點，P X 為P。點處X方向上的幾何坐標，P Y為P。點處Y方向上的幾何坐標，PU處風矢方向為 a U，分別計算一個由四個相鄰網格點組成的網格中各點處弧度，即計算Pu、Pu+i、Pi+u、 Pw，w處的方向為曰u、曰u+i、曰W，j、曰
[005引步驟1-2-2,判斷au與au+i角度范圍：若au<90。且270 ° < au+i < 360°，則Pu、Pi，w兩點間存在用于南向追蹤的候選槽點WP，候選槽點WP在X方向上、 Y方向上的幾何坐標WP.X和WP.Y分別為；
[0054]
[00巧]WP.Y=Pi，j.Y;
[005引步驟1-2-3,判斷aU與aWJ角度范圍：若180° < a u< 270 °且270。 < a wj< 360°，那么P 兩點間存在用于東向追蹤的候選槽點EP，候選槽點EP在 X方向上、Y方向上的幾何坐標EP. X和EP. Y分別為；
[0057] EI\X = Pu. X，
[0058]
[0059] 步驟1-2-4,遍歷風場網格中所有網格點數據，重復步驟1-2-1~1-2-3篩選候選 長波槽點直到最后一個網格，得到候選槽點集合。
[0060] 步驟1-3包括W下步驟：
[0061] 步驟1-3-1，選擇追蹤起點：從逆向環流中屯、集合中按序任意選取一個點作為長 波槽追蹤起點StartP，當追蹤方向Direction=270°時，設候選槽點集合S=S"，點列 PList二化istw;當追蹤方向Direction=180°，設候選槽點集合S=S E，點列PList= PListg；
[0062] 步驟1-3-2,篩選候選長波槽點；通過距離、方向篩選選取符合條件的候選槽點：
[0063] 步驟1-3-2-1，距離篩選；遍歷候選槽點集合S，通過距離闊值化re化對其進行篩 選，設水平相鄰網格點間距為disAdjacent，網格點間距是經紳度上網格點風矢對應到繪制 幾何坐標系中兩個水平相鄰網格點間的幾何距離，由繪制風矢時選取的距離決定。化re化 應為3*disAdjacent~5*disAdjacent之間。點Pk為S集合中第k點，點P k與追蹤起點 StartP距離為Lk，若Lk< ^re化，將P k加入篩選后候選槽點集合S1中，否則舍棄，若不存 在滿足Lk< ^re化的點，返回執行步驟1-3-1;
[0064] 步驟1-3-2-2,方向篩選；遍歷候選槽點集合S1，點Pm為候選槽點集合S1中第m 點，點Pm與追蹤起點StartP構成的直線與追蹤方向Direction夾角為丫m，
[0065] 候選槽點與追蹤方向構成的弧度滿足W下弧度偏轉的條件：
[0066] 若槽線已探索延伸至點Pi，追蹤方向為AB，下一個可能在槽線上的關鍵點應在W AB為軸一定大小的張角范圍內。那么左側存在一個可偏轉的弧度，其闊值設定為a kft，右 側存在一個可偏轉弧度闊值，其闊值設定為〇^6化，設置〇1。^=30。，〇^6扣=30。。槽線 的追蹤設置在上述規定